石油化工水池抗浮設計所依據規范的探討

趙 剛，李 強

（賽鼎工程有限公司，山西太原 030032）

0 引言

在石油化工行業中，有大量的鋼筋混凝土水池需要結構專業設計。水池按埋深可以分為地上池、半地下池和地下池；按儲存介質情況分為清水池和污水池；按使用功能分為調節池、均質池、隔油池、氣浮池、生化池、污油池、油泥池、浮渣池、沉淀池、污泥池、儲焦池、液硫池、雨水監控池、事故水池、消防水池等。

當地下水位較淺而埋深較深時，水池都會有抗浮問題。抗浮成本有高有低，抗浮成本高的甚至超過水池本體造價。例如：沿海地區某事故水池，水池平面凈尺寸為27.3 m×27.3 m，頂板頂-0.500，底板底-5.000，結構類型為柱距3.9 m的無梁樓蓋體系，見圖1、圖2。根據地質勘察報告：地基土為淤泥土或砂土，抗浮水位為±0.000，地下水腐蝕性等級為中（干濕交替時為強）。經過方案對比和計算分析，最終選擇采用防腐抗拔樁抗浮。經核算，需要113根40 m長的抗拔樁，抗拔樁的總造價為180萬。這個造價就遠高出了水池本體造價的140萬。

圖1 水池剖面圖

圖2 水池平面圖

石油化工水池抗浮失效往往會導致工廠運行終止、有害介質或污水污染環境，嚴重的還會造成重大的人員或財產損失。所以我們一定要認真對待石油化工水池的抗浮問題，合理選擇設計依據的規范，精心設計，確保石油化工水池的抗浮安全。

1 水池抗浮設計依據的規范

目前水池抗浮設計依據的規范主要有：《給水排水工程構筑物結構設計規范》GB 50069—2002[3]、《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》CECS 138:2002[4]、《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》SH/T 3132—2013[1]、《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019[2]。

1.1 《給水排水工程構筑物結構設計規范》GB 50069—2002（以下簡稱GB 50069[3]）

GB 50069[3]第5.2.3條規定：水池在基本組合作用下的抗浮穩定性系數Ks≥1.05；抗浮力只計入永久作用，可變作用和側壁上的摩擦力不應計入，抗浮力采用標準值。

根據GB 50069[3]第1.0.2條，GB 50069[3]雖然適用于工業企業中一般的給水排水工程構筑物的結構設計，但不適用于工業企業中具有特殊要求的給水排水工程構筑物的結構設計。同時規范對抗浮設計也缺乏詳細的說明，如抗浮設防水位如何確定、抗浮力如何算、覆土重度如何取、局部抗浮如何考慮、抗浮方法有哪些、施工注意事項、抗浮工程如何驗收、抗浮工程如何監測等內容都沒有表述。

1.2 《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》CECS 138:2002（以下簡稱CECS 138 [4]）

這本規范影響比較久遠，很多水池計算軟件都是基于這本規范編制的，如世紀旗云的水池計算軟件和盈建科的YJK-pool。GB 50069[3]和CECS 138[4]都是北京市市政工程設計研究總院主編的，施行日期也都是2003年3月1日。CECS 138[4]第1.0.3條也明確表示：“本規程系根據現行國家標準《給水排水工程構筑物結構設計規范》GB 50069規定的原則制訂。” CECS 138[4]比GB 50069[3]更注重于鋼筋混凝土水池的設計，GB 50069[3]適用范圍更寬泛，而CECS 138[4]更具體，更有針對性。但這本規范也同樣缺乏對抗浮設計的詳細規定。

1.3 《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》SH/T 3132—2013（以下簡稱SH/T 3132 [1]）

SH/T 3132[1]認為：《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》CECS 138:2002對水池結構的抗浮只提出了原則規定，考慮到抗浮穩定設計容易被忽視，所以單列出第8章對抗浮做出較為具體的規定。

SH/T 3132[1]指出：抗浮穩定屬于承載力極限狀態設計范疇，但采用的是安全系數法，且抗浮力取用了標準值，極易混淆概念。為此SH/T 3132根據相關資料，詳細規定了設計原則、荷載取值、計算公式等，并補充了局部抗浮穩定安全系數。但這本規范對抗浮水位的確定、抗浮工程的驗收和監測等內容都缺乏表述。

1.4 《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019（以下簡稱JGJ 476 [2]）

JGJ 476[2]的發布在一定程度上解決了上述問題。JGJ 476[2]不僅給出了抗浮設防水位的確定原則、抗浮力的計算方法，還較為詳細地介紹了各種抗浮方法。同時設置專門的章節對施工、檢驗與驗收、監測與維護等內容做出專門的規定。

2 石油化工水池抗浮設計在規范執行方面的問題

在JGJ 476[2]實施之前，石油化工水池抗浮設計基本上執行SH/T 3132[1]第8章——抗浮穩定設計。由于SH/T 3132[1]是2013年發布，JGJ 476[2]是2019年發布，《建筑工程抗浮技術標準》[2]2020年3月1日實施后，JGJ 476[2]新增的或與SH/T 3132[1]不同的一些內容是否執行？該如何執行？引起設計人的廣泛爭論。下面簡要介紹幾個在具體設計中最常見的問題。

2.1 建筑抗浮工程設計等級

《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019[2]考慮到水文地質條件的復雜性對抗浮結構和構件的承載特性、耐久性以及水浮力、穩定性要求等確定會有一定影響，同時兼顧使用期間對錨固在地下結構底板下地基中的抗浮構件修復難度較大、地下水浮力可能產生的危害程度，以及擬建或既有工程所處的自身荷載特點和在地下水浮力下的穩定狀態及變形要求等因素，提出抗浮設計等級的概念，對不同抗浮設計等級抗浮工程的設計和施工區別對待。

根據JGJ 476[2]，建筑抗浮工程設計等級是抗浮設計的基礎，后續章節的許多內容都是根據抗浮設計等級確定的，它不僅影響抗浮穩定安全系數，還影響場地巖土工程勘察、抗浮設防水位的確定、抗浮力的計算、抗浮結構及構件結構設計的重要性系數、抗浮錨桿抗浮樁的裂縫控制、抗浮工程的監測與維護等。

JGJ 476[2]規定了建筑抗浮工程設計等級的劃分方法和按抗浮等級設計的方法，而SH/T 3132[1]中沒有此概念。那么石油化工水池抗浮設計是否要區分設計等級，如何區分設計等級？

2.2 兩階段設計方法

《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019[2]采用對施工期和使用期分別進行抗浮設計的方法。抗浮設防水位、抗浮穩定性系數、抗浮力的計算等都按施工期和使用期做了區別性的要求。

JGJ 476[2]第3.0.2條條文說明指出：在眾多抗浮穩定性不足引發的工程事故中，大部分發生在施工期間，主要原因在于無論設計單位還是施工單位，普遍忽視施工期間地下結構底板以上的荷載尚不足以抵抗地下水產生浮力的工況，因此，本條強調必須按施工期和使用期兩個階段內最不利組合工況進行穩定狀態分析，并根據其不同的穩定狀態采取相應的抗浮措施。

而SH/T 3132[1]中沒有施工階段的抗浮設計內容。那么石油化工水池的抗浮是否要分成施工期和使用期來設計呢？

2.3 抗浮力的折減

根據JGJ 476[2]第6.3.7條：用于抗浮穩定性驗算的總抗浮力應按表1組合系數計算確定。

表1 抗浮力組合系數

由表1可見，對參與抗浮力的“結構上部填筑體、結構內部填筑體”在對抗浮穩定有利時，有0.9或0.95的組合系數，這相當于是對抗浮力進行了折減。而按SH/T 3132[1]的抗浮力計算方法，池頂覆土和池內的混凝土配重是不折減的。那么石油化工水池抗浮設計對這類荷載要不要折減呢？

2.4 抗浮穩定安全系數

表2 抗浮穩定安全系數

從表2中可以看出，局部抗浮穩定安全系數分別為：1.05、1.15、1.27。而JGJ 476[2]中抗浮等級為乙級的抗浮工程在使用期的抗浮穩定安全系數為1.05，也就是說SH/T 3132[1]的局部抗浮穩定安全系數高于JGJ 476[2]。

JGJ 476[2]是2019年發布的，SH/T 3132[1]是2013年發布的，JGJ 476[2]更加新一些。那么石油化工水池抗浮設計執行新的JGJ 476[2]的抗浮穩定安全系數呢，還是執行SH/T 3132[1]的抗浮穩定安全系數呢？

3 如何正確選擇石油化工水池抗浮設計依據

3.1 規范適用性的探討

（1）《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476-2019[2]

JGJ 476[2]第1.0.2條規定：本標準適用于新建、擴建與改建建筑和既有建筑抗浮工程的勘察、設計、施工、檢驗與驗收、監測及維護。可見此規范的主要適用對象是建筑，不是像水池這樣的構筑物。

雖然JGJ 476[2]第2.1.1條條文說明指出：建筑工程也包含其他領域如市政工程、水電、港工、軌道交通、公路等涉及抗浮問題的建筑物或構筑物。但JGJ 476[2]研究的主體還是具有上部結構的地下室，不是用來貯存水或其他水溶液的水池。

JGJ 476[2]的主編單位及參編單位都來自石油化工行業以外，也沒有市政工程設計單位參編，在標準編制時不可能會考慮石油化工水池抗浮的具體情況，所以JGJ 476[2]只能作為石油化工水池抗浮設計的參考執行規范，而不能作為主要執行規范。

（2）《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》SH/T 3132-2013[1]

SH/T 3132[1]第1章就明確指出：本規范適用于石油化工現澆鋼筋混凝土水池、非貯液池及地下式、半地下室泵房的結構設計。SH/T 3132[1]第8章條文說明還專門指出：“水池因抗浮穩定性不能滿足而導致浮起、傾斜、開裂等破壞的情況在工程中不乏實例，CECS 138《給水排水工程混凝土水池結構設計規程》中對水池結構的抗浮只提出了原則規定，考慮到抗浮穩定設計容易被忽視的情況，本規范將它單列一章。”所以SH/T 3132[1]應該作為石油化工水池抗浮設計的主要執行規范。

5月中下旬播種，6月上中旬栽插，大田用種量1.5～2公斤/畝，用流水線機械播種，每畝大田用機插塑料硬盤約35張，根據機械栽插進度分批次播種。

（3）小結

雖然在石油化工水池抗浮設計時主要依據SH/T 3132[1]，但該規范發布于2013年，由于當時情況所限也存在一些不足，所以我們在石油化工水池抗浮設計時還要借鑒JGJ 476[2]中的一些內容來彌補SH/T 3132[1]的不足。

3.2 規范具體條文執行的探討

3.2.1 建筑抗浮工程設計等級是否執行？

（1）建筑抗浮工程設計等級的劃分

JGJ 476[2]第3.0.1條對建筑抗浮工程設計等級做了如下規定：抗浮工程應根據工程地質和水文地質條件的復雜程度、地基基礎設計等級、使用功能要求及抗浮失效可能造成的對正常使用影響程度或危害程度等劃分為三個設計等級，并按表3確定。

表3 建筑抗浮工程設計等級

（2）石油化工水池的具體情況

石油化工水池多數沒有上部結構，荷載總體比較小，對地基的要求比較低。對照JGJ 476[2]表3，石油化工水池的抗浮設計等級多數應該是丙級。貯存污染水的水池，可以將抗浮設計等級提高到乙級。

根據JGJ 476[2]表3，乙級抗浮工程的使用期抗浮穩定安全系數為1.05。而SH/T 3132[1]表2規定的整體抗浮穩定安全系數也是1.05，二者一致。

（3）小結

不論是按SH/T 3132[1]設計，還是按JGJ 476[2]區分抗浮設計等級進行設計，整體抗浮穩定安全水平是一致的。

3.2.2 兩階段設計方法是否執行？

JGJ 476[2]提出了按施工期和使用期進行抗浮設計的方法，SH/T 3132[1]的抗浮驗算沒有明確區分施工期和使用期，但要求考慮施工階段可能出現的不利情況。

JGJ 476[2]針對的多數是施工量較大的工程，多數是高層建筑的地下室，地下結構部分和上部結構部分的施工周期都比較長，所以提出對施工期進行抗浮穩定驗算的要求。如果總的施工量較小，施工周期較短，通過短期施工降水可以解決抗浮問題，那么就不需要做施工期的抗浮穩定驗算。而地下和地上施工量大的工程，由于施工周期長，施工降水的費用比較高，通過做施工期的抗浮驗算可以確定最早的停止降水的時間，可以在保證施工期抗浮安全的情況下，大量節約降水費用。

石油化工水池多數施工量較小，一般沒有上部結構（即便有，也就是1～2層的框架），施工周期較短，可以在一年中的枯水期或水位較低的時間段完成施工。這樣的話，通過短期施工降水解決施工期的抗浮穩定問題總體費用也較低。當然對于那些施工周期較長的水池，需要跨越豐水期，還是建議做施工期的抗浮穩定驗算，綜合考慮各方面因素，找出安全適用經濟合理的抗浮方案。

3.2.3 抗浮力的折減是否執行

《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012[5]第3.2.4條規定：當永久荷載效應對結構有利時，荷載分項系數不應大于1.0。JGJ 476[2]表1中對部分類型的荷載設定了0.9～1.0的組合系數、SH/T 3132[1]表5.2.2備注中指出“當荷載對結構有利時，分項系數取1.0”都是基于《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012[5]這一條的精神。JGJ 476[2]和SH/T 3132[1]都符合《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012[5]的精神，只不過是安全度不同罷了。

所以在石油化工水池抗浮力計算時可以不執行JGJ 476[2]的要求，完全按SH/T 3132[1]計算，不對抗浮力（池頂覆土和池內壓重）進行折減。

3.2.4 局部抗浮穩定安全系數以那本規范為準

JGJ 476[2]不區分局部抗浮與整體抗浮，統一采用相同的抗浮穩定安全系數，而SH/T 3132[1]表2詳細規定了局部抗浮穩定安全系數，所以在石油化工水池抗浮設計時應執行SH/T 3132[1]的局部抗浮穩定安全系數。

雖然JGJ 476[2]是2019年發布的，SH/T 3132[1]是2013年發布的，JGJ 476[2]更加新一些。但兩本規范都是現行規范，都沒有廢止，而且石油化工水池抗浮設計按SH/T 3132[1]更合理更適用。

3.3 JGJ 476[2]彌補了SH/T 3132[1]的不足

雖然SH/T 3132[1]第8章針對石油化工水池抗浮也做了較詳細的規定，但在抗浮設防水位的確定，抗浮工程的施工、檢驗與驗收、檢測與維護等方面沒有涉及。JGJ 476[2]在對SH/T 3132[1]上述內容進行補充的同時，還提出了排水限壓法、泄水降壓法、隔水控壓法、壓重抗浮法、錨固抗浮法等六種抗浮方法，大大地豐富了石油化工水池的抗浮設計依據。

4 結語

在石油化工水池抗浮設計時，主要以《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》SH/T 3132—2013[1]為設計依據，以《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019[2]作為補充。在參照《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019[2]相關條文進行設計時，一定要對規范條文進行深入解讀，詳細分析條文的設置背景和適用條件，根據石油化工水池的具體情況正確參照《建筑工程抗浮技術標準》JGJ 476—2019[2]進行設計，切不可生搬硬套，盲目照搬。